打印技术在中小学教学中的应用

○李柯影　郑燕林

近年来，英国的众多中小学课堂引进了3D打印技术并应用于教学实践，取得了一些成功的经验。

一、3D打印技术在英国中小学教学中应用的目标指向

（一）指向提升学生的学习主动性、培养学生的创新思维

首先，3D打印技术作为一种新型技术，容易引起学生参与基于该技术的学习活动的好奇心和兴趣，激发他们主动参与学习活动的动机。其次，3D打印技术快速打印模型或实物的独特功能，支持并激励学生利用3D打印机将自己的创作设计或想法以可视化方式呈现给教师和其他学习者，由此获得的成就感，不仅会促使学生更加积极主动地参与学习活动，而且会激励他们进一步主动参与创新设计。同时，在3D打印技术快速打印实物功能的支持下，学生可以将时间和精力主要集中在创新设计环节，有助于创新思维的培养。

（二）指向探索新的教学方法

英国3D打印技术在学科教学中的应用项目是在“人类可以通过制造和分享过程产生学习”理念指导下开展的学科教学创新探索项目。该理念的核心是“制造”和“分享”，强调在真实情境中通过体验式学习与探究式学习是获得知识并实现学以致用的有效方式。所以，教师借助3D打印技术可以为学生创建“体验式学习中心”，这同时也是一个知识运用的空间，学生需要主动参与到真实的实践活动中，并通过亲自动手操作获得直接的学习体验，发展解决问题的知识与技能水平。在3D打印技术支持下的体验式学习中心从学习内容、学习方式上都有所突破。

“体验式学习中心”的学习内容可以是一个专题的探究学习，也可以是单一的知识或问题的学习与探究，还可以仅是一个创意的实现，甚至是这三者的交叉融合。在专题探究学习活动中，教师需要给学生提供一个主题及其设计纲要，并要求学生能对该设计做出自己的选择，主动地进行学习和探究。学生在专注于研究主题的同时，会自然地将3D打印机作为学习或探究成果的展示工具。针对后两种学习内容，学生可以利用3D打印机将一个创意变成现实，可以将一个知识成果以可视的打印作品呈现，有助于个性化和创新思维的发展。

“体验式学习中心”的学习方式可以是协作学习，也可以是自主学习。在2012—2013年英国3D打印技术走进校园项目研究中发现：基于3D打印技术的自主学习能改善学习效果并伴随产生其他更广泛的积极效果。例如在物理和数学学科教学中，教师使用打印机来促进学生思考、推理和理解学科教学知识，并且开展学生为主导的实验。这种自主学习方式更大程度地把学习的主动权交给学生，让学生在3D打印技术支持下自主学习，将知识学以致用。这种教学方法，不仅有利于学生个性化发展，而且有助于学生创新思维的培养。

二、3D打印技术在英国中小学学科教学中的应用

（一）在“科学”学科教学中的应用

首先，3D打印技术支持学生通过观摩教师利用3D打印机打印的模型来获得相关的知识内容，有助于发展他们的观察能力、分析能力以及理解力。比如“科学”学科教师可以利用3D打印机打印眼球模型，帮助学生理解有关眼球构造、功能等知识。其次，3D打印技术支持学生在教师协助下，提升他们探究事物本质、规律的能力。如“科学”学科教师可以利用3D打印机协助学生构建分子、细胞甚至正弦波等模型，有助于学生进行深度学习与探究，获得更加直接的学习体验。

（二）在“数学”学科教学中的应用

一方面，3D打印技术可以为教师演示数学抽象概念或规律形成过程提供技术支持。比如立体几何中关于毕达哥拉斯定理（勾股定理）和三角法的教学，一般停留在平面演示、想象、计算、推理的层面，但在3D打印技术支持下，教师可以利用3D打印机轻松方便地构建立体几何体，使该定理的推理演示过程更加直接地呈现给学生，促进学生从形象的实物和过程演示、推理中理解并掌握数学的抽象概念和知识。另一方面，3D打印技术有助于提升学生的立体空间感，有助于提升学生对抽象知识的理解度和掌握度，可以将概念和知识形象化、具体化、可视化，帮助学生全面理解知识并激发他们的求知欲。

（三）在“设计与技术”学科教学中的应用

首先，3D打印技术为教师和学生发挥想象力和创造力等提供了技术支持。比如在桥梁工程学教学中，学生可以利用3D打印机打印出桥梁模型，通过力学测试来及时发现并改进桥梁稳固性等问题，为实际施工做准备。其次，该技术为跨学科知识的综合运用提供桥梁。学生在学习工程课程时，除了需要学习与生产技能相关的知识外，还需要学习有关包括物理、数学等方面的知识。比如学生在设计和生产椅子的过程中，首先需要考虑椅子的平衡性，防止出现斜倒、扭曲的状况；其次要考虑椅子的承重力；最后，还需通过成本评估确保物有所值。可以看出这个过程不仅涉及有关生产过程的技术知识，而且涉及有关于椅子的稳定性、承受力以及平衡性等物理知识，还涉及成本核算等。

三、影响3D打印技术在英国中小学教学中应用的因素分析

通过对2012—2013年英国开展的3D打印技术进入学科教学项目的分析，总结出成功背后的影响因素有以下几个：

（一）教师对3D打印技术的教学应用持积极的态度

调查认为，当教师憧憬并相信3D打印技术具有促进教与学的潜能，便会致力于技术与教学的有效整合，探究创新教学方法，最终获得有效的技术应用策略。

（二）教师与教学支持人员的通力协作

教师与教学支持人员，包括专业技术人员、3D打印机厂商、同一学科或不同学科的教师之间的通力协作是推动探索技术促进学科教学的持续动力。

（三）必要的软硬件环境建设

1.软件

项目组织者和支持者为教师和学生提供使用设计软件的专门培训，而且尽可能选择容易上手且免费的设计软件，比如很多学校选择使用的免费Sketchup（草图大师）。

2.3D打印机

从英国3D打印技术应用到学科教学的项目经验分享中可以看出，3D打印机的选择关系着能否有效使用打印机并将其优势功能发挥到最大化。为此，需要从以下几点考虑：第一，要考虑3D打印机的使用者和使用目的。若是教师使用3D打印机打印教学模具，应该优先考虑打印机的速度和质量；若是学生利用该技术制作模型，则还需要考虑其易用性、耗材和成本。第二，要考虑打印机本身的一些因素，比如打印速度、打印机文件传输接口、与学校操作系统和网络的兼容性以及质量和售后支持等。第三，要重视打印机所置放的位置和环境，防止拖拉或移动，避免打印出来的物体出现干燥和翘曲等问题。所以，学校或者教师在选择和使用3D打印机时需要全面且慎重考虑。

（四）对应用过程提供系统的支持

参与项目的大多数学校领导和教师都是计算机设计与技术方面的专家，他们通过“低干涉”管理让学科教师更专注于技术的使用方法和教学目标的实现。同时，重新对学科教师进行相关的培训，并及时交流分享经验。

（摘自《现代教育技术》）